同時解決物理學的五大難題？一個野心勃勃的新理論

是什麼構成了世間萬物？又是什麼將物質緊緊地束縛在一起？為了回答這兩個問題，物理學家建立了一個非常成功的理論：粒子物理學的標準模型。在過去的40幾年，它通過了所有粒子物理實驗的檢驗。但是它還有一些未回答的基本大問題。

因此，物理學家一直嘗試構建超越標準模型的理論。不久前，四位物理學家（Guillermo Ballesteros 、Javier Redondo、Andreas Ringwald和Carlos Tamarit）提出了一個新理論，宣稱可以同時解決粒子物理學中五個讓人絞盡腦汁的問題，每一個問題都是諾貝爾級的大問題。

雖然聽起來很瘋狂，但他們的論文已經通過了同行審議，並於2月15日發表在《物理評論快報》——這是一個赫赫有名的期刊，在物理學史上發表了許多突破性的發現，包括去年引力波的發現。

這個新理論被稱作SMASH（全稱為「Standard Model Axion See-saw Higgs portal inflation），下面這張圖概括了該理論：

△ SMASH模型。（圖片來源：APS）

上圖中，SM代表了標準模型，包含了17種基本粒子，到2012年的時候已經全部被發現。在標準模型的基礎上，四位物理學家添加了額外的六個粒子。有了這些粒子就可以解釋：

1. 什麼是暗物質？

2. 是什麼導致了宇宙暴脹的發生？

3. 為什麼中微子這麼輕？

4. 為什麼宇宙中的物質要比反物質多？

5. 強核力的不尋常對稱性。

正是因為這些問題，我們才知道粒子物理學的標準模型是不完備的。

SMASH利用了「蹺蹺板機制」解釋了中微子的質量問題。它假定存在尚未被發現的、質量遠大於電弱能標的重中微子（即「N?、N?、N?」），這樣目前已知的三種中微子的微小質量就可以得到很自然的解釋。同時，這些中微子會更偏向衰變成物質，而不是反物質，因此也解釋了為什麼這個宇宙是由物質主宰的。（可進一步閱讀：《為什麼我們都是由物質構成？而不是反物質？》）

SMASH也預言了粒子「ρ」的存在，有點像希格斯玻色子——賦予基本粒子質量，粒子ρ賦予了中微子質量，並且和希格斯玻色子協作驅使了宇宙暴脹的發生。

為了解釋神秘且不可見的暗物質，SMASH模型也包括了一種叫做軸子（axion，「A」）的粒子，這種粒子於1977年首次被提出。軸子的存在也可以解釋為什麼強核力不像標準模型預言的那樣破壞某種特定對稱（可進一步閱讀：《強CP破壞：為什麼CP對稱偏愛強相互作用》）。

當然，SMASH模型是否能夠得到物理學界的認同還不得而知。但它有一個優點是，它做出了可以檢驗的預言。例如，它預言了軸子的質量要比電子的質量輕約100億倍。因此，科學家可以從實驗中有針對性的尋找它的蹤跡。

不過該理論並沒有解釋所謂的「等級問題」和「宇宙學常數問題」等。但不管怎樣，SMASH都是一個很大膽的嘗試。無論對錯，相信它很快就可以從實驗數據中得到檢驗。

參考文獻：

Guillermo Ballesteros et al. Unifying Inflation with the Axion, Dark Matter, Baryogenesis, and the Seesaw Mechanism, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.071802